Sentinel | Funktionalisierung und Sensorintegration in CFK-Trägerstrukturen für Exoskelette

Ziel des Forschungsvorhabens »Sentinel« ist ein verbessertes Verständnis der Mensch-Maschine-Interaktion (engl.: human machine interaction, kurz: HMI) durch die Integration von Sensorik in aktiv-assistiven Exoskeletten der Firma German Bionic Systems (GBS). In Kooperation mit dem Fraunhofer IGCV wird auf Basis eines Funktionsdemonstrators ein Sensornetz entwickelt, das die Grundlage für eine Selbst-Adaption des Systems bietet. SGL Carbon entwickelt einen großserientauglichen Prozess, der eine kostengünstige Integration von Sensoren in Strukturen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) ermöglicht.

So wird eine Wissensbasis geschaffen, die eine datengetriebene Adaption der CFK-Struktur und der Regelung des Exoskeletts anhand realer Einsatzbedingungen ermöglicht. Durch die nutzungsspezifische Einstellung der Betriebsparameter können die Systeme an die individuellen Anforderungen der menschlichen Träger:innen angepasst werden. Diese Innovationen führen zu einer Verbesserung des Trage- und Bedienkomforts sowie zu einer verbesserten Effizienz des Systems.

Die Verwendung von CFK-Strukturen für unterstützende Systeme wie Exoskelette, aber auch in medizinischen Anwendungen (z. B. Prothesen und Orthesen) birgt aufgrund der im Vergleich mit konventionellen Werkstoffen wie Aluminium oder Stahl überlegenen Materialeigenschaften erhebliche Vorteile im Hinblick auf Leichtbau und Belastbarkeit. Durch die Integration von Sensorik in die Lagenstruktur können Daten situationsunabhängig gesammelt werden. Diese Datengrundlage kann im Nachgang genutzt werden, um Bauteile besser anwendungsorientiert auszulegen und damit die Performance der Komponenten zu erhöhen. Ebenso kann so eine adaptive Regelung der Unterstützung durch das System ermöglicht werden, ohne dass die Träger:innen eingreifen müssen.

Um das Leichtbaupotential optimal ausnutzen zu können, werden im Projekt »Sentinel« auch neuartige Fertigungsprozesse für faserverstärkte Bauteile betrachtet. Eine dieser Technologien ist das Fiber Patch Placement (FPP) der Cevotec GmbH. Bei diesem Prozess werden kleine Zuschnitte (Patches) aus faserverstärkten Kunststoffbändern mit zwei kollaborierenden Robotern auf einem Werkzeug abgelegt. Durch die Verwendung von kleinen und flexibel anpassbaren Patches kann eine hohe Vielfalt an Faserorientierungen im Bauteil realisiert werden, um Kräfte optimal aufzunehmen und umzuleiten. Ebenso kann diese Technologie verwendet werden, um im Prozess mit Sensorik ausgestattete Patches zu integrieren. Damit eignet sich die FPP-Bauweise ideal zur Herstellung von sensorintegrierten Bauteilen wie der Trägerstruktur des Exoskeletts Cray X von German Bionic.

Nach Ende des ersten Projektjahres und zahlreichen Versuchen stehen die ersten Feldtests eines sensorintegrierten Exoskeletts an. Gemeinsam mit SGL Carbon hat das Fraunhofer IGCV eine CFK-Trägerstruktur des Cray X Exoskeletts mit Sensoren ausgestattet, welches erfolgreich alle Herstellungsschritte durchlaufen hat. German Bionic Systems schafft durch den Einsatz von textiler Sensorik die Verbindung zu menschlichen Träger:innen. Gemeinsam werden anschließend in verschiedenen Einsatzszenarien die Funktionstüchtigkeit des Systems getestet und Methoden entwickelt, durch die die vielen verschiedenen Sensordaten digitalisiert und ausgewertet werden können. Ziel ist es, ein Netzwerk von Sensoren um das Exoskelett aufzubauen, welches den Einsatz des Systems im Internet of Things (IoT) ermöglicht, indem das Gerät den Zustand seiner Träger:innen genau bestimmt und bestmöglich mit der Umgebung interagiert.